一、擠壓工模具的使用壽命

擠壓模具因磨損或其他失效形式，終致不可修復(fù)而報廢之前所能承受的擠壓的總次數(shù)或通過擠壓鑄錠的總個數(shù)(也可用通過產(chǎn)品的總長度或總品量表示)，稱之為擠壓工模具的使用壽命。
    工模具在報廢之前，可能出現(xiàn)早期失效。但在絕大多數(shù)情況下，通過合理的修正后還能繼續(xù)使用。工模具在第一次修復(fù)之前，或兩次修復(fù)之間所通過的擠壓鑄錠數(shù)(產(chǎn)品的質(zhì)量或長度)稱為中間壽命。

    擠壓工模具允許修復(fù)的次數(shù)是有限的，在生產(chǎn)實踐中，擠壓工具一般可修復(fù)2～3次(重復(fù)熱處理一般只允許一次)；平面模和穿孔針可修復(fù)3～5次，甚至高達l0次以上；組合模最多可修復(fù)3～4次。工模具的中間壽命越高，允許修復(fù)的次數(shù)越多，則使用壽命就越長。
    由于擠壓工模具的形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)各異，而且工作條件和用途各不相同，允許偏差標準(尺寸精度、表面狀態(tài)等)也不一樣。因此，要準確地、定量地定義出工模具的壽命是困難的。所謂工模具的使用壽命，實際上只是一個大致的總體的概念。

提高工模具壽命，實質(zhì)上意味著與失效作斗爭。按工模具失效發(fā)生時間的早晚，大致可分為早期失效和正常失效。一般來說，工模具的沖擊破裂、塑性變形、粘附及過早的磨損和熱裂、細頸或拉斷、壓彎等均屬早期失效，而在工模具達到正常平均壽命水平之后的磨損和熱裂，則屬正常失效。表4—5—1為某廠輕合金擠壓車間按磨損和裂紋計算模具使用壽命的實際情況。從表可看出，熱擠壓模具報廢件中，磨損約占90%，裂紋占10%左右，空心型材模具的裂紋所占比例比實心產(chǎn)品模具的大，如以擠出總長度來表示模具的使用壽命，則空心件模具大約是實心件模具的一半。表4—5—2則為日本某廠模具早期失效的實例。

表4—5—1按磨損和裂紋統(tǒng)計的擠壓模具使用壽命表

模具類型             報廢原因 指標	實心型材模	空心型材模
磨損	裂紋	磨損	裂紋
報廢原因比率/%	92.6	7.2	88.6	11.4
壽命	平均擠壓長度/km 標準偏差/km	27.06 7.43	12.6 9.81	17.09 3.78	10.2 4.72
取樣數(shù)	155	12	271	35

表4—5—2  日本有關(guān)模具早期失效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(平均)表

失效原因	百分比/%
熱處理不當     模具設(shè)計不合理     模具材質(zhì)不良     模具加工方法不妥     使用條件不佳     對模具材料特性缺乏認識     下料不當     選材不當     其他(磨削、焊接、組裝不良、表面處理不當?shù)?span>)	44     10     7     7     7     5     3     3     14

二、影響擠壓工模具使用壽命的主要因素

    影響擠壓工模具使用壽命的因素很多，概括起來可分為兩大類。一類是外因，即工具工作時的外界的環(huán)境和外部條件。另一類是內(nèi)因，即工模具本身的結(jié)構(gòu)和使用性能。內(nèi)因取決于工模具的設(shè)計、材料選擇和整個加工工藝，包括冶金、鍛造、熱處理、機加工和電加工等過程。材料和所有的加工工藝因素，最終反映到工模具的加工精度、表面粗糙度、晶粒度大小、碳化物偏析、夾雜物含量及分布，以及硬度、強度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐熱疲勞性等指標上。這些指標決定了工模具的使用性能。
    綜合大量的資料和根據(jù)長期生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗，可將影響擠壓工模具使用壽命的因素歸納為下列幾個方面：
    (1)工模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核；   
    (2)工模具材料；
    (3)冷、熱加工與電加工工藝；
    (4)熱處理與表面處理工藝；
    (5)擠壓工藝與使用條件；
    (6)維護與修理；
    (7)擠壓產(chǎn)品材料特性和形狀、規(guī)格；   
    (8)科學(xué)管理。
    其中(1)～(4)屬于內(nèi)在因素，(5)～(8)為外在因素。一般來說，只要上述幾個方面基本處理得當，工模具的使用壽命就可達到正常水平。反之，如果有一個方面或幾個方面處理不當，例如工模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、選材不當或材質(zhì)不佳、加工方法或加工工藝不合理、熱處理或表面處理方法不當、模具的安裝或設(shè)備精度差、使用維護不當、加工精度不夠、表面狀態(tài)不良、組合裝配不合理等，則可能發(fā)生早期失效。同樣，如果在上述所列各因素中，在某一方面或某幾個方面通過采用新材料、新工藝、新技術(shù)，取得某種有意義的突破，則有可能使工模具的壽命大幅度提高，達到先進水平。
    影響工模具的壽命的諸因素是互相影響，彼此制約又互為補充、互為促進的，一種影響因素又會涉及到其他方面的因素。因此，應(yīng)把影響工模具壽命的諸因素作為一個有機的整體來看待，當作一個系統(tǒng)工程問題來進行討論。擠壓工廠中常見的引起工模具報廢的主要因素示于圖4—5—38。

圖4—5—38擠壓工模具報廢因果圖

三、提高工模具使用壽命的主要途徑

    擠壓工模具的使用壽命往往是決定某一工藝方法或某一產(chǎn)品是否經(jīng)濟可行的要素。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者都致力于提高擠壓工模具壽命的研究。但是，如上所述，工模具壽命的影響因素很多，是一個復(fù)雜的多因素的綜合性問題，所以，只有從理論上和實踐上系統(tǒng)地深入地研究工模具的工作條件、失效特征和原因，掌握工模具材料的成分、組織、性能三者之間的關(guān)系，分析工模具設(shè)計、加工和使用的全過程，才能真正找到提高某種具體工模具壽命的措施。一般來說，為了提高工模具的使用壽命應(yīng)從以下幾個方面著手開展工作。
1．合理設(shè)計工模具
    只有工模具設(shè)計合理，才能充分發(fā)揮材料應(yīng)有的效能，這是防止工模具早期失效的基礎(chǔ)。如果工模具設(shè)計本身不能保證足夠的強度和韌性，那么，必然會使工模具因過載而早期失效。正確設(shè)計的工模具結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證在正常使用條件下，沒有產(chǎn)生沖擊破裂和應(yīng)力集中的可能。工模具的強度和使用壽命首先是由足夠的尺寸來保證的，但工模具的尺寸主要由產(chǎn)品尺寸所決定，受設(shè)備安裝空間的限制和其他因素的影響。
    在設(shè)計工模具時，應(yīng)盡量使各部分受力均勻，注意避免尖角、內(nèi)凹角、壁厚差懸殊、扁寬薄壁截面等，以免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，引起熱處理變形、開裂和使用過程中脆性破裂或早期熱裂。此外，還應(yīng)考慮工模具的剛性。為了便于互換、保管和維修、標準化設(shè)計也是十分重要的。 
    擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計是獲得經(jīng)濟而合理模具的重要手段。近年來，世界各國投入大量人力、物力和財力致力于擠壓模具優(yōu)化問題的研究。由于大型計算機的開發(fā)和應(yīng)用，CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析理論和實用技術(shù)的不斷完善以及各種數(shù)值模擬和物理模擬方法的進一步實用化，為擠壓模具優(yōu)化設(shè)計的理論和技術(shù)的開發(fā)開辟了道路。目前許多大型的、復(fù)雜的、重要的擠壓工模具(如大型高比壓圓擠壓筒、優(yōu)質(zhì)多層組裝式扁擠壓筒、固定擠壓墊片、多孔舌型模、大型空心壁板用平面組合模、異形空心型材的穿孔系統(tǒng)、流線模角等)等優(yōu)化設(shè)計問題已獲得了滿意結(jié)果。擠壓模具優(yōu)化理論研究與實用技術(shù)獲得了重大突破，取得了一大批成果，有的已規(guī)范化和系統(tǒng)化。
    總之，合理設(shè)計工模具結(jié)構(gòu)和進行可靠的強度校核，不斷革新工模具設(shè)計理論和方法，采用電子計算機輔助設(shè)計等是改進擠壓工模具設(shè)計和提高使用壽命的主要途徑。

2．合理選擇工模具材料和研發(fā)新型模具材料
    根據(jù)工模具的工作條件和性能要求，正確選擇其材料也是提高使用壽命和降低生產(chǎn)成本的有效措施。前人已做過大量工作，從化學(xué)成分、冶金過程、鍛造與熱處理工藝以及提高原材料本身的品質(zhì)等方面進行了廣泛的研究，并取得了很大的進展。但是，工模具材料的選擇是一個十分復(fù)雜的問題，涉及面很廣，所以至今尚未獲得重大的突破。研究與實踐證明，把研制新材料、提高材料本身的品質(zhì)與研究新型的熱處理工藝和表面強化處理工藝有機地結(jié)合起來，是解決這一課題的有效途徑。
    隨著熱擠壓條件越來越嚴峻，對工模具的性能要求越來越高。為了滿足這種越來越高的要求，世界各國近年來開發(fā)研制了不少有價值的新型擠壓工模具鋼，見表4—5—3。由表可見，由J·Rhollway等開發(fā)的A種鋼，將含碳量降到0.25%～0.30%以下，用Ni提高基體的延性、韌性的同時，添加Mo、Co來促進微細碳化物析出。由于含Mo或Co 3%以上的鋼的強度、耐磨損性有顯著提高，但延展性卻下降不大，所以添加3%Mo或Co的鋼是最合適的。此外，由于Co的成本高，所以近來又開發(fā)了不含Co但具有高綜合性能的B種鋼和C種鋼。在析出硬化型馬氏體鋼方面，開發(fā)了ASM標準的6F4鋼，它含有(0.15～0.2)%C，為了提高淬透性，添加了3%的Ni和3.4%Mo。由于含量低，所以在淬火狀態(tài)下硬度也較低，而延展性和韌性較高。在一般的預(yù)硬化狀態(tài)(在400℃低溫回火狀態(tài)，40～44HRC條件下)下使用時，由于制品表面的溫升而引起析出強化。此種鋼適于制造大型擠壓工具，但也可用作模具材料。最近開發(fā)的馬氏體時效處理鋼的特點是：以極低的C和高Ni作為基本成分，并添加劑了 Co、Mo、Ti、Al。以極低碳的馬氏體作基體，和以前使用的熱作工具鋼的冶金特征完全不同，它是通過時效而均勻彌散地析出Ni₃Mo、Fe₂MoNi₃Ti相達到強化，從而得到超硬高強度(≥2000 MPa)。由于這種鋼具有非常高的強度和良好的韌性，所以適用于制造承載的擠壓工具和模具。表4—5—3中示出的奧氏體鋼A286具有良好的耐熱性，如果在720℃時效，能產(chǎn)生γi(Ni₁₃Ti)析出強化，則在高溫下的強度比馬氏體高。此外，最近又開發(fā)了利用由V碳化物的共格析出而引起強化的(0.5～1.0)C－13Mn－8Ni－10Cr－(2～4)V－0.1Ti－0.0005B鋼，其強度高于Hl9和A286，很有希望用于制作熱擠壓鋁合金型材模具。下面舉例分析幾種對提高壽命有價值的模具材料。

表4—5—3最近開發(fā)的新型擠壓工模具鋼成分表

類別	鋼號	主要成分/%
C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Co	W	V	其他
二次硬化型 馬氏體鋼	H10	0.30	0.3	0.4		3.0	3.0			0.5
BHl0A	0.30	0.30	0.4		3.0	3.0	3．O	－0.5
H19	0.40	-0.3	0.4		4.3	0.40	4.3	4.5	2.0
A	0.28	-0.3	0.7	3.0	0.5	3.3	3.0
B	0.40	-0.40	0.4	2.0	2.0	2.O			0.15	Nb0.004
C	0.40	+0.3	1.5		2.5	2.1			1.2	B0.005
析出硬化型馬氏體鋼	6F4	0.20	0.3	0.7	3.0		3.4
D	0.20	0.5	0.5	0.8	2.6	1.9	0.4	0.4	0.8	Nb0.4
馬氏體時	1700MPa級	<0.03	<0.1	0.1	18		4.8	8.0			Ti0.45，Al0.10
2100MPa級	<0.03	<0.1	<0.1	18		4.6	8.5			A10.10,Ti0.80
效處理鋼	2400MPa級	<0.03	<0.1	<0.1	18		4.2	12.0			Til.50，Al0.10
奧氏體鋼	A286	<0.08	<1	1.5	25	15	1.3			0.3	Ti0.20
F	0.5～1.0	0.4	13	8	10				2～4	Ti0.10,B0.005

    1)4Cr3M02V鋼
    4Cr3M02V鋼是在消化吸收瑞典的ASSABQR080M熱擠壓模具鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，其性能優(yōu)于4Cr5MoSiVl鋼，可取代4Cr5MoSiVl鋼用于制作熱擠壓模，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。4Cr3M02V鋼的化學(xué)成分為(0.35～0.42)%C；(0.22～0.42)％Si；(0.5～1.0)%Mn：(2.2～2.8)%Cr；(1.8～2.2)%Mo；(1.0～1.4)%V。當淬火溫度為1100℃時，在600℃時的高溫硬度HV為470～480 MPa。在1080℃淬火+600℃回火兩次(各1 h)條件下，其高溫硬度為HV525～535 MPa。生產(chǎn)試驗證明，當4Cr3M02V擠壓模具的硬度為470～480 HV，擠壓筒溫度為400～450℃，模具溫度為400～440%，鑄錠溫度為450～500℃，擠壓速度60 m/min的條件下，擠壓鋁合金型材的使用壽命為7～10 t/每模。
    2)AE31高質(zhì)模具鋼
    AE31是日本高周波鋼業(yè)株式會社和神戶制鋼中央研究所在對0.4C－2Ni－3Cr－2Mo－0.3V的成分加以改良后研制成功的，是一種理想的鋁合金型材模具材料，其常溫性能、高溫性能、回火穩(wěn)定性，特別是氮化特性都優(yōu)于SKD62鋼。例如，1025℃淬火+575℃回火后，其 σ_b可達l800 MPa，σ_0.2≥1500 MPa，HRC可達52以上，深沖率可達50％左右，δ≥10％，沖擊功A_k大于39 J，在高溫下仍具良好的K_IC值。
    3)ASSAB8407“組織優(yōu)化”高溫?zé)嶙髂＞咪?
    該鋼種由瑞典一勝百鋼材有限公司研制，標準規(guī)格為AISIHl3MICRODIzED，主要化學(xué)成分：0.37％C、1.0%Si、0.4%Mn、5.3%Cr、1.4%M0、1.0%V。熱處理后的室溫強度為 HRC≥52、σ_b≥1820 MPa, σ_0.2≥1152 MPa、ψ﹥45％、δ≥10%。其主要優(yōu)點是：組織細密均勻，韌性高；含碳量低，不會發(fā)生熱裂；抗高溫?zé)釕?yīng)力疲勞強度高等。
3．研發(fā)新型熱處理工藝
    1)預(yù)處理工藝研究
    4CrSMoSiVl鋼是合金元素含量較高的過共析鋼，在冶煉、鑄造時可能出現(xiàn)碳化物偏析，鍛軋后形成粗大的碳化物帶。碳化物的數(shù)量、大小及分布狀態(tài)直接影響鋼材的組織與性能。如殘余碳化物數(shù)量多、粒度大、分布狀態(tài)不佳(如呈明顯帶狀或沿晶界分布)，則鋼材的韌性和疲勞抗力將大大下降。為了改善模具最終熱處理后的組織和性能，對4Cr5MoSiVl鋼進行了系統(tǒng)的預(yù)期處理工藝試驗。采用自動相分析技術(shù)對碳化物面積分數(shù)(A%)、平均粒徑(d)和單位面積碳化物個數(shù)(Nc)定量測定，用拉伸法測定了常規(guī)力學(xué)性能。優(yōu)化設(shè)計出了該鋼種的預(yù)處理工藝制度，并與常規(guī)球化退火工藝的組織性能進行了對比。分析大量的試驗結(jié)果，獲得以下有價值的成果：
    (1)預(yù)處理明顯地改善了4Cr5MoSiVl鋼的組織，全部消除了帶狀碳化物，大大減少了粗大碳化物的數(shù)量，可獲得分布均勻、尺寸細小的碳化物組織。
    (2)預(yù)處理方法與常規(guī)球化退火(860℃下退火)方法相比，具有節(jié)約能源，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，在強度、晶粒度基本上相當?shù)那疤嵯?，可提高鋼材的塑性和韌性。
    (3)推薦的預(yù)處理工藝為：ll00℃固溶，770℃或860℃高溫回火，回火硬度為207～235HB。
    2)熱處理工藝研究   
    (1)普通熱處理工藝制度的優(yōu)化
    為充分發(fā)揮4CrSMoSiVl鋼的潛力，對其最終熱處理制度進行了研究，通過大量的試驗和生產(chǎn)實踐，推薦4Cr5MoSiVl鋼擠壓模使用如下熱處理制度：淬火前進行800～850℃預(yù)熱，以防止加熱速度過快、熱應(yīng)力增大引起模具開裂。淬火溫度范圍為1020～1070℃，加熱后進行油冷淬火，淬火后必須立即進爐回火(時間間隙最長不超過6 h)以防因淬火后應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂?；鼗饻囟确秶鸀?80～620℃，回火2～3次，每次l.5～2 h，回火的硬度為42～48HRC。經(jīng)過大量的生產(chǎn)使用，證明優(yōu)化工藝穩(wěn)定可靠，可大大提高模具使用壽命和經(jīng)濟效益。
    (2)真空熱處理工藝研究
    在研究了4Cr5MoSiVl鋼和等溫球化處理、預(yù)處理和雙重處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用正交優(yōu)化方法研究了其最佳的真空熱處理工藝制度。根據(jù)理化檢測的結(jié)果，分析了不同真空熱處理制度與該材料的室溫硬度、常規(guī)力學(xué)性能、高溫硬度、高溫力學(xué)性能以及特種性能(熱疲勞與熱磨損抗力)之間的關(guān)系。用透射電鏡、掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡和體視顯微鏡分析了材料經(jīng)不同真空熱處理后的顯微組織的熱磨損、熱疲勞裂紋的表面形貌。通過大量的研究工作和工業(yè)性試驗，獲得了以下成果：   
    ①4Cr5MoSiVl鋼鋁型材擠壓模具經(jīng)1100℃/0.5 min·mm^-1油冷+770℃或860℃/2.6 min·mm^-1空冷預(yù)處理后，組織均勻，碳化物分布彌散且細小，為最終熱處理作了良好的組織準備。
    ②4Cr5MoSiVl鋼鋁型材擠壓模真空熱處理最佳工藝優(yōu)化結(jié)果是：l040～1080℃真空淬火，600℃ + 580℃×3h兩次真空回火，真空度為10^-3～l0^-1Pa。
    ③4Cr5MoSiVl鋼真空熱處理后，其組織為回火馬氏體(M)+下貝氏體(B)，且真空熱處理后的馬氏體(M)板條比非真空熱處理的細小，碳化物形貌為圓球狀。
    ④經(jīng)真空熱處理的模具，具有良好的綜合力學(xué)性能、抗回火能力，其高溫性能也優(yōu)手普通熱處理的模具。
    ⑤4Cr5MoSiVl鋼經(jīng)真空熱處理后，模具變形小，僅為常規(guī)處理的l/3～1/10，一般在0.05 mm左右，模具的熱疲勞抗力和熱磨損抗力比非真空處理的高，且在1080℃油淬，600～580℃回火時出現(xiàn)最佳值。
    ⑥生產(chǎn)性試驗結(jié)果表明，用上述真空熱處理工藝處理的模具，耐磨性好、粘鋁少、型材表面光潔度高、模具使用壽命比經(jīng)普通熱處理的模具提高2～3倍以上。
    3)強韌化處理工藝研究
    近十年來，3Cr2W8V鋼的強韌化處理工藝又有了新的發(fā)展，主要的成果有：
    (1)高溫淬火+高溫回火工藝。此工藝將3Cr2W8V鋼的淬火溫度提高到1150～1170℃，目的在于使碳化物更均勻。高溫回火是將3Cr2W8V鋼的回火溫度提高到670℃左右。此工藝提高了材料的熱疲勞性能和斷裂韌度，對于因熱疲勞龜裂導(dǎo)致的早期破斷現(xiàn)象是十分有利的。但由于采用高溫回火，材料的強度和硬度損失大，故對強度和耐磨性要求較高的鋁擠壓模尚待改進。
    (2)組織預(yù)處理工藝，也稱作雙重處理工藝，即在最終熱處理之前，以高溫固溶(1150～1250℃)加高溫回火(730～780℃)代替鍛后退火工藝。其目的是通過高溫固溶消除粗大碳化物和碳化物偏析，然后采用高溫回火使碳化物均勻細小地析出，同時消除遺傳性，從而提高材料的強度，尤其是韌性。最終熱處理仍按常規(guī)工藝進行。據(jù)報道，用此法可使材料沖擊韌度提高20%～30%。
    (3)超高溫淬火+中溫回火工藝研究。采用1250℃以上超高溫奧氏體，使合金元素充分溶入奧氏體，可以使3Cr2W8V鋼的高溫強度和抗回火軟化能力顯著提高，因而提高擠壓?？垢邷剀浰湍p性能。繼高溫淬火之后，若采用560℃左右回火，則沖擊韌度會出現(xiàn)低谷，同時σ_b會大幅降低；若采用300～500℃中間回火，既避開了560℃回火所導(dǎo)致的K_IC低谷，又防止了650℃回火所出現(xiàn)的沖擊功低谷，可以使模具獲得強韌性的配合。鋁擠壓模具的工作溫度一般為400～500℃，模具表面最高溫升一般在520℃左右，因此，即使是長時間使用后，原中溫回火的組織仍是穩(wěn)定的，不致產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，這樣可以避免特殊碳化物物析出和殘余奧氏體的分解。因而模具在工作時可保持韌性不變。同時，模具在使用過程中回火軟化傾向少，若采用500℃以下中溫回火，不會引起模具熱強性和耐磨性在使用過程中降低。可見，超高溫奧氏體淬火+中溫回火是鋁型材擠壓模具的一種可行的強韌化處理工藝。

4．表面強化處理新工藝研究
    (1)離子硫、碳、氮三元共滲工藝研究
    研究了不同預(yù)先處理、共滲氣氛、溫度時間和氣壓對共滲層的影響。結(jié)果表明，經(jīng)淬火+ 回火處理的模具共滲層的硬度最高，氮氣與二硫化碳之比以20～30:1為佳。用正交試驗研究，確定了4Cr5MoSiVl模具鋼的最佳三元共滲工藝為：在540～560℃滲氮2 h，三元共滲1 h。采用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計、X射線衍射儀及改進的Tlttagia法和Uddehlom法研究了三元共滲后的金相組織、表層硬度、滲層深度、相結(jié)構(gòu)、熱疲勞和熱磨損性能以及它們的表面形貌。結(jié)果表明，通過共滲氣氛的工藝參數(shù)的合理控制可獲得組織良好、層深適度、表面硬度高、熱疲勞和熱磨損性能好、自潤滑性能良好的共滲層。大批量生產(chǎn)實踐證明，經(jīng)三元共滲的鋁擠壓模具，其使用壽命平均可達l5～20t/每模，最高可達51.4 t/每模，而且擠壓出來的鋁材平整、表面光潔、品質(zhì)優(yōu)良，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。

    (2)離子復(fù)合處理工藝研究
    利用離子沖擊裝置對4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V鋼制鋁型材擠壓模具的離子復(fù)合處理工藝進行了全面的研究，經(jīng)優(yōu)選試驗和檢測定量分析，深入研究了離子復(fù)合處理的溫度、時間、氣壓、氣氛和離子場分布狀態(tài)等因素與所得滲層相結(jié)構(gòu)組成、滲入元素分布、顯微組織、滲層深度、表面硬度以及耐磨性能之間的關(guān)系。確定了可使模具獲得良好綜合性能的最佳工藝參數(shù)：處理溫度為520～560℃，時間4～6 h，工作氣壓1067～1333 Pa，工作氣氛為N₂、H₂、Ar加含硫、含碳、含氧的混合氣體。
    系統(tǒng)地研究了窄縫窄槽模具的離子復(fù)合處理工藝，已使具有0.7 mm以上窄縫的薄壁型材模具達到了良好的處理效果。
    經(jīng)反復(fù)試驗，研究成功了適合于離子處理工藝的表面涂覆屏蔽技術(shù)。該技術(shù)具有離子處理過程穩(wěn)定、防滲性能好、涂覆層極易清除等特點，而且對防止局部過熱和促使模具的均溫化具有良好的效果。經(jīng)大批生產(chǎn)證實，對3Cr2W8V擠壓型材模，經(jīng)離子復(fù)合處理后，其使用壽命由未經(jīng)處理的平均3t/每模提高到l2 t/每模以上，型材產(chǎn)品的表面質(zhì)量明顯改善，獲得了良好的經(jīng)濟效益。  

    (3)離子氮化工藝研究
    在輝光離子氮化爐上做了大量的氧化處理工藝研究，以壁厚為1.5 mm以上的擠壓?？走M行試驗取得了滿意的結(jié)果，生產(chǎn)證明，提高了模具的耐磨性和型材表面品質(zhì)。

    (4)氣體軟氮化工藝研究
    對氣體軟氮化工藝進行了大量的研究工作，結(jié)果表面，氣體軟氮化是一種低溫碳、氮共滲方法，可使模具的抗咬合性、抗磨損性能提高。其最大特點是不受模具型孔寬度和復(fù)雜性的影響，而且氮化效果良好。
    (5)脈沖等離子滲氮工藝研究
    脈沖等離子技術(shù)是一種可準確控制的可多參數(shù)變化的滲氮法?？勺兓膮?shù)有：時間、工件溫度、外界熱源溫度、工件外界熱源的溫度梯度、電壓、電流、氣體混合物成分、氣流速度、室內(nèi)壓力、脈沖重復(fù)次數(shù)、脈沖持續(xù)時間、控制方式等，由于可變參數(shù)多，應(yīng)采用可編程微機控制。
    用脈沖等離子滲氮技術(shù)的氣～固界面反應(yīng)為：
    ①產(chǎn)生被電離物氮原子和中性氮原子，N₂N⁺+N；
    ②濺射凈化工件表面，滲到工件表面的N+=從鋼表面濺射的鐵和濺射的污物；   
    ③氮化鐵的形成，濺射的鐵+氮=氮化鐵(Fe₂N)；
    ④相應(yīng)的滲氮過程

FeN^-→Fe₂N+N
Fe₂N^-→Fe₃N+N
Fe₃N^-→Fe₄N+N
Fe₄N^-→Fe+N

    脈沖離子滲氮技術(shù)的主要特點是：
    ①降低過程的溫度，特別適用于溫度敏感性鋼和幾何敏感性模具的滲氮處理；   
    ②溫度梯度可編程控制；
    ③過程的氮耗、氣體能耗、離子能耗都低；   
    ④可用飛濺法凈化模子；
    ⑤環(huán)境好，無污染，無輻射；
    ⑥操作人員少，操作維護費用低；
    ⑦滲氮層均勻細密，冶金質(zhì)量易于控制；
    ⑧電參數(shù)、溫度參數(shù)、力學(xué)參數(shù)均由微機控制，易于實現(xiàn)過程自動化。
    脈沖等離子技術(shù)處理的模子冶金品質(zhì)均勻，模具品質(zhì)高，減少了修模時間，提高了效率，降低了成本，可獲得明顯的經(jīng)濟效益。
   (6)低溫滲硼法的研究
    對鋁擠壓模具的滲硼技術(shù)進行了大量的熱力學(xué)計算和分析，采用了新活化劑和添加劑，研制成一種價格低廉、熔點適中的高硼酸鹽，突破了常規(guī)的低溫(700℃)滲硼溫度界限，使液體滲硼溫度降到600℃以下，同時還對4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V鋼模具進行了不同的滲硼正交實驗，得出了低溫電滲硼的最佳工藝，并在國內(nèi)外首次用低溫滲硼法處理形狀復(fù)雜的型材模取得了滿意的結(jié)果。由于滲硼層硬度高達1500HV以上，具有極高的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗粘鋁的能力，使得模具壽命大幅度提高，擠壓型材表面品質(zhì)遠優(yōu)于其他表面處理，處理的模具窄縫可達0.68 mm。用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X光衍射儀和各種物理－化學(xué)分析測定法研究了滲硼層組織組成和形態(tài)，經(jīng)生產(chǎn)考核，模具使用壽命可提高3～4倍，型材表面粗糙率可達Ra 0.4цm以上，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
    (7)PVD－TiN涂層工藝研究
    近年來，新研制的物理氣相沉積氮化鈦(PVD—TiN)涂層技術(shù)首次用于鋁材擠壓工模具超硬耐磨涂層。在PVD過程參數(shù)、涂層結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系方面進行了大量工作。特別是對涂層/基底界面結(jié)構(gòu)和涂層極點密度與性能之間進行了較深入的研究，提出PVD涂層模具鋼耐磨損性三要素觀點，用涂層表面顯微硬度HV、實際膜基結(jié)合力L_ch和臨界飽和結(jié)合力L_ch等參數(shù)改進了Holm定律表達式。大幅度提高3Cr2W8V和4Cr5MoSiVl鋼PVD涂層后的使用性能。
    多組正交性能實驗結(jié)果表明，各沉積參數(shù)對HV、Lc、W和沉積速率的影響權(quán)重從大到小順序為P∑、β、t、V_b、I、Ts……。轟擊條件和某些特殊技術(shù)對結(jié)合力和薄膜生長也有明顯影響，在分析的基礎(chǔ)上給出了優(yōu)化工藝條件。
    系統(tǒng)地研究了3Cr2W8V和4Cr5MoSiV鋼的氮化處理和它們經(jīng)PVD涂層后的室溫與高溫力學(xué)性能，包括抗彎強度盯α_W、α_b、α_0.2、δ%、ψ%和E，并且對斷口形貌及斷裂特征進行了觀察對比。結(jié)果表明，PVD涂層不僅使表面硬度提高5～6倍，且使力學(xué)性能保持原型基底材料的高水平，較氮化處理的強度高20％，塑性高70%～80%，即使在面縮率達50％以上情況下杯錐口附近涂層仍不剝落。用研制成的裝置和工藝制備的擠壓穿孔針進行試驗，結(jié)果如下： HV為3500；Lc為50N；α_b為1600MPa；δ為10%；ψ為45%；E為201GPa及耐磨性提高l50倍以上。
    研制成鋁管材擠壓穿孔針批量處理系統(tǒng)，涂層均勻度高，方便可靠，重復(fù)性好，無公害且易于控制，經(jīng)大批生產(chǎn)驗證，可顯著減少管材內(nèi)壁劃傷廢品，成品率可提高2.6%以上，可節(jié)能降耗，減少砂磨等工序，改善環(huán)境，減輕勞動量，得到了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

5．制模與修模新工藝新方法的研究
    1)制模新方法新工藝的研究
    (1)Hobson制模法   
    該法是1984年英國Hobson公司設(shè)想出的一種制造鋁擠壓模的新方法。其工藝設(shè)想是：根據(jù)金屬塑性流動原理，當金屬質(zhì)點均勻流動時，通過擠壓?？讜r的阻力與流量成反比。假設(shè)某塑性介質(zhì)擠入?？讜r，擠入量(擠入?？變?nèi)的深淺)與模孔對金屬擠人量的阻力有關(guān)，由此，若按塑性介質(zhì)擠入?？變?nèi)的深淺作為模具工作寬度，就正好能使金屬均勻流動。若能選擇一種既與擠壓金屬塑性流動特性相同，又能耐腐蝕的工作介質(zhì)，用擠壓方式壓入?？變?nèi)，不經(jīng)設(shè)計計算就能確定該原工作帶寬度，然后，采用化學(xué)腐蝕的方法加工出模子的空刀部分。該法能完全模擬鋁合金的流動特征，因此能獲得使金屬流動均勻的最優(yōu)化的模子設(shè)計，加工工藝簡化，設(shè)備簡單，是一種多快好省的制模新方法。據(jù)報導(dǎo)，英國、日本等國已在模擬介質(zhì)、腐蝕液、加工工藝等方面獲得了了突破，并已進入大批量工業(yè)試驗。
    (2)“一步法”制模新工藝的研究
    開展了大量的實驗工作，解決了技術(shù)關(guān)鍵，基本上確定了滿足“Hobson”工藝的介質(zhì)成分，并在“Hobson”工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了“上步法”制模新工藝。其主要成果有：
    ①選擇工作介質(zhì)。根據(jù)塑性加工中的相似理論即相似條件來選擇工作介質(zhì)。目前國內(nèi)外常用的模擬金屬塑性變形的材料及其n、m、ц值列于表4—5—4中，由表可知，蠟?zāi)嗨苄粤鲃犹匦灾捣秶鷮?，其流動特性隨主要成分含量變化而變化，因此，選擇了蠟?zāi)嘧鳛橹圃鞌D壓模的工作介質(zhì)。

表4-5—4常用模擬金屬塑性變形材料(工作介質(zhì))的流動特性值

工作介質(zhì)	n	m	μ
鉛 塑泥 蠟?zāi)?/span>	0.1～0.4 0.25 -0.4～0.1	-0.02～-0.07 0.08 -0.15～0.40	0.2～0.4 不確定 0.O9～-0.3

    ②工作介質(zhì)成分范圍。用正交法，選用L₉(3⁴)正交表，確定工作介質(zhì)的主要成分范圍為(20～30)%石蠟，(30～40)％填充劑，(10～30)%粘結(jié)劑，(2～10)%添加劑。
    ⑧工作介質(zhì)和6063鋁合金的n、m、ц值的測定。Gleeble－1500熱力模擬機上測定了工作介質(zhì)(室溫)和6063鋁合金(495±5℃)的n,、m值；用圓環(huán)鐓粗法測定了摩擦系數(shù)ц。
    ④腐蝕液的選擇。經(jīng)反復(fù)試驗，配制了一種混合酸作為腐蝕加工模子空刀的腐蝕液，其成分為15%H₂S0₄，20%HN0₃，10%HCl，15%H₃P0₄，40%H₂0。
    ⑤確定了“一步法”工藝流程，如圖4—5—39所示。

圖4—5—39“一步法”工藝流程圖

    根據(jù)以上分析可知，“一步法”設(shè)計制造鋁合金擠壓模比傳統(tǒng)方法要簡單和經(jīng)濟，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，有廣闊的發(fā)展前景。

    (3)凝固控制鑄造法制造擠壓模
    20世紀80年代后期，日本發(fā)明了一種制作鋁擠壓模的新方法，即凝固控制鑄造法。該法是一種各向勻速成長，可提高材料強度的新工藝，用此法制造的擠壓模質(zhì)量穩(wěn)定，而力學(xué)性能可與鍛造法相媲美。用此法制造的擠壓模已通過日本富山輕金屬公司生產(chǎn)考驗，結(jié)果表明，制模時間可縮短40%，材料的成品率達80％以上，而且性能穩(wěn)定。近幾年來，日本ッ一ヶ一金屬(株)和富山金屬工業(yè)株式會社又開發(fā)一種CK鑄造模，其力學(xué)性能(HRC≥46.7，α_s﹥995 MPa，α_b≥1166 MPa，δ≥10.8%)達到或超過了鑄造法制模的水平(HRC≥47.4，α_s≥982 MPa，α_b≥1170 MPa，δ≥9.5%)，使用壽命也超過了鍛造模。

    (4)特大型熱擠壓平面分流組合模的制造新工藝
    大型臥式擠壓機(125MN以上)上用的特大型分流模的主要特點是：
    ①外廓尺寸大。外徑+700～1500 mm，厚度為l50～300 mm；質(zhì)量500～3000 kg，為中小型模子的10～100倍。
    ②型孔十分復(fù)雜。一塊模子上開有多個異形孔腔，各切面的厚度變化急劇，相關(guān)尺寸繁雜，圓弧拐點很多。
    ③尺寸精度要求嚴，粗糙度有嚴格要求。
    ④由于工作應(yīng)力高，要求采用高強耐熱合金鋼制造，經(jīng)熱處理后其硬度應(yīng)均勻、適中，既有高的高溫強度，又有良好的韌性。
    為了滿足上述要求，簡化工藝，縮短周期，提高壽命，降低成本，對特大型平面分流模的選材、機加工工藝、電加工工藝和熱處理及表面處理工藝進行了一系列研究和改進工作，并取得了重大成果。
    ①選擇合適的模具材料，必經(jīng)嚴格的復(fù)驗和超聲波檢驗。嚴格控制改鍛的始鍛溫度、終鍛溫度、冷卻速度和冷卻方法。
    ②根據(jù)模子的尺寸大小、形狀和所選用的鋼材，每個模子都應(yīng)按新型的工藝流程單獨編制工藝，并掌握和控制各工序的具體操作細節(jié)。
    ③應(yīng)根據(jù)具體情況單獨編制熱處理工藝。淬火前應(yīng)盡量消除直角和尖角部分。為消除表面應(yīng)力，應(yīng)進行預(yù)處理。淬火加熱分段進行，可采取多次回火，并把補充回火作為模具制造的最后一道工序。
    ④采用整體電極加工多孔異形型槽，但在電火花加工過程中電流不能過大。   
    ⑤模子在進行氮化前一定要進行拋光處理，以獲得良好的氮化效果。
    ⑥制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具除了采用先進的數(shù)控電加工技術(shù)外，還必須配有鉗工的精雕細刻。除了嚴格單獨加工上、下模之外，要特別注意上下模配合面的研磨加工。上、下模要有可靠的定位和嚴格的對中。
    大批量生產(chǎn)實踐證明，用上述新工藝制造的特大型平面分流組合模，在重型擠壓機上的使用壽命長、性能穩(wěn)定、產(chǎn)品的表面和尺寸精度高、具有較大的經(jīng)濟效益。

    2)建筑鋁型材擠壓模具制造工藝路線的改進研究
    傳統(tǒng)的擠壓模加工工藝路線存在工序多、工藝流程長及加工周期長，以鉗工手工銼修、手工拋光為主，難以保證尺寸精度和表面粗糙度，而且粉塵大，污染環(huán)境；組合模的上、下模尺寸難于保證，上下模配置不合理易錯位、難同心；模子制作過程產(chǎn)生迂回運動，生產(chǎn)周期長，不便于生產(chǎn)管理，模子表面硬度低，磨損快，模子使用壽命低，而且擠壓出的型材表面易出現(xiàn)拉毛、劃傷現(xiàn)象，氧化上色后表面易出現(xiàn)不均勻的光澤和擠壓條紋。顯然，這種模具加工工藝路線是極不合理的。為了改進，進行了大量的研究試驗工作。在吸收、消化國內(nèi)外先進設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來的研究成果，研制出了一套新的擠壓模具加工工藝路線(圖4—5—40、圖4—5—41)。該新工藝路線與傳統(tǒng)的工藝路線相比，簡化了工藝，減少了工序和設(shè)備，縮短了加工周期，提高了模具的精度、表面光潔度和表面硬度，可大大提高生產(chǎn)效率和模具品質(zhì)，提高模具使用壽命和使用質(zhì)量，降低材料消耗和能耗，改善勞動條件和環(huán)境，降低成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。

    3)修模新方法、新工藝的研究
    近年來，擠壓模具的維護與修理作為提高使用壽命的一種重要手段而被廣大擠壓工作者所重視，除了不斷提高修模技巧以外，還就修模原理與修模方案設(shè)計、修模方法與修模工具等問題進行了一系列深入的研究。研究表面，即使用最佳的設(shè)計和最合理的工藝制造出來的模子，在試模和擠壓過程中仍不可避免地會出現(xiàn)磨損失效問題。使這種失效降低到最低限度或盡可能延長模具使用壽命的最有效的方法是通過具有豐富的實踐經(jīng)驗的修模工，在擠壓生產(chǎn)的現(xiàn)場對模具不斷地進行觀察和分析，與設(shè)計人員一道制訂修模方案，并采取有效的措施，對模子進行調(diào)整和修正。因此，擠壓模具的修正，對提高產(chǎn)品品質(zhì)，延長模具壽命，提高生產(chǎn)效率，降低成本具有重大的意義?，F(xiàn)場修模的作用主要是：調(diào)整金屬流速，修正尺寸，矯正形位，改善模具的表面狀態(tài)，提高模具的使用壽命。在修模前應(yīng)對模子工作帶和工作平面等處進行仔細觀測和檢查，并用不潤滑和正常的溫度一速度規(guī)范進行試模，準確判斷產(chǎn)生缺陷的原因，以利于確定最佳的修模方案。在修正?？壮叽鐣r，應(yīng)考慮模孔彈性變化引起的尺寸變??；模孔下塌、尺寸超負差；模孔彈塑性變形和整體彎曲所引起的尺寸變化；金屬填充不滿引起的尺寸超負差；金屬供流不足引起的中部尺寸超負差；流速不均引起的尺寸超負差；多孔擠壓時制品長短不齊；設(shè)計或磨損引起的尺寸超正差等情況。在改變金屬流動特征方面采用加速、阻礙、補焊、綜合修理等方法取得了良好的效果。拋光工作帶表面的修模方法主要研制了新法銼修；銼修 + 細砂布拋光法；布砂輪拋光法；擠壓珩磨機拋光法；銼修 + 超聲波二合一拋光法；銼修 + 超聲波 + 電解三合一拋光法以及噴砂或噴丸拋光法等。此外在修模工具方面除了開發(fā)研制了異形金剛石組銼、噴丸機、二合一和三合一拋光機等外，還試制成功了多種電動修模器、顯微測微器、多維測量機和X—Y，坐標測微機等，為修模創(chuàng)造了條件。

圖4—5—40改進后的平面模模組的加工工藝流程圖

6．改進設(shè)備結(jié)構(gòu)和擠壓工藝條件，改善工作環(huán)境
    工模具的裝配與安裝的方法和精度，所用設(shè)備的類型、能力和精度以及擠壓坯料的成分、性能和規(guī)格，擠壓工藝方法和工藝參數(shù)、工作條件與工作環(huán)境等直接影響擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量和工模具的使用壽命。因此，在擠壓前，認真擬訂擠壓方案，選擇最佳的設(shè)備系統(tǒng)與坯料規(guī)格，制定最佳的擠壓工藝參數(shù)(如擠壓溫度、擠壓速度、擠壓系數(shù)和擠壓壓力等)和改善擠壓時的工作環(huán)境(如采用水冷或氮化冷卻工模具、充分潤滑等)，減輕工模具的工作負擔(如降低擠壓力，減少激冷激熱和交變載荷等)，建立與健全工藝操作規(guī)程和安全使用規(guī)程，實行全面質(zhì)量管理，及時分析事故原因和工模具失效原因并及時采用有效措施等，可保證有效地提高工模具的使用壽命。

圖4—5—41  改進后的分流模組加工工藝路線流程圖

7．合理使用與維護工模具
    工模具的合理使用與維修對于提高其使用壽命有著重大的意義。合理的使用可大大改善工模具的工作條件和工作環(huán)境，減輕工作負擔；合理的維修可大大提高中間壽命。因此，制訂和執(zhí)行合理可行的使用規(guī)程，提高生產(chǎn)工人的操作技術(shù)水平，使用先進的修模方法、修模技術(shù)和修模工具，把修模與氮化處理有機地結(jié)合起來，盡量采用大改小、小改大、廢模復(fù)活、舊模翻新等措施，是大幅度提高工模具使用壽命的有效途徑。

8．加強全面質(zhì)量管理，建立健全工模具的科學(xué)管理制度

    為了提高工模具的使用壽命，在采用先進技術(shù)的同時，還必須實行科學(xué)管理辦法。作為科學(xué)管理方法重要內(nèi)容的全面質(zhì)量管理(TQC)，也同樣適用于工模具管理，在實行全面質(zhì)量管理時，必須把設(shè)計、加工、檢驗以及生產(chǎn)使用和維修人員組織起來，讓每個人明確職責(zé)，做好本職工作，主動搞好工序間的配合，認真貫徹設(shè)計與生產(chǎn)過程中的各項規(guī)章制度和科學(xué)管理辦法，積極推動PDCA循環(huán)向前運動，不斷提高工模具的質(zhì)量和使用壽命。采用實用模具管理軟件，用微機聯(lián)網(wǎng)動態(tài)管理所有工模具的設(shè)計制造、生產(chǎn)、修理和庫存情況，使之經(jīng)常保持良好狀態(tài)。